Abstract
有几个优点，功能近红外光谱（fNIRS）呈现在人类运动神经控制的研究。它比较灵活，对于参与者的定位，并允许在任务的一些头部运动。此外，它是廉价的，重量轻，便携，极少禁忌其使用。这提供在个人谁通常显影，以及那些与运动失调，如脑性麻痹期间马达任务学习功能的大脑活动的独特机会。学习运动障碍时额外的考虑，但是，是进行实际运动的质量和额外的，意想不到的动作的可能性。因此，需要对fNIRS结果适当解释并发监测大脑中的两个血流变化以及身体的在测试期间的实际动作。这里，我们显示一个协议fNIRS与组合肌肉在运动任务运动监控。我们探讨步态，单边多关节移动（循环），和两个单侧单关节运动（隔绝踝关节背屈，并分离手挤压）。呈现的技术可以在学习典型和非典型的电机控制是有用的，并且可以被修改以调查范围广泛的任务和科学问题的。
Introduction
在功能性任务的神经成像变得更轻便和成本效益的使用非侵入性官能近红外光谱（fNIRS）通过测定血流动力学在皮质，以确定大脑活动的区域。 fNIRS的可移植性是在直立和功能任务，例如步态1，这是不可能与其他技术的研究中特别有用，如功能性磁共振成像（fMRI）。这种能力是在神经学和神经科学领域的关键，并可能提供新的见解基本运动障碍的儿童和成人脑瘫（CP），并影响到电机控制等神经系统疾病的机制。理解的机制提高了设计有效的干预对目标损伤和活动限制的源的能力。
电机的任务很多fNIRS研究迄今已与成人的健康人群，其中一部分icipants被指示执行某一任务，监控任务性能被限制在目视检查。这可能是足以让那些典型的运动和参与的高水平，但研究的参与者与运动障碍或谁有困难出席了任务延长的时期，包括正常发育儿童的时候是不能接受的。为了告知脑激活在这些情况下的分析，需要同时监视电动机图案的，实际上是完成。
fNIRS系统和用法的全面审查已经呈现在文献2-5指导使用和有助于说明fNIRS的精度和这些系统的灵敏度，但在收集，处理的技术问题，并解释数据仍然存在。颜色和头发厚度影响光信号的质量，以深色浓密的头发最有可能阻止或扭曲光学transmi裂变3,6。研究位于头部，其中毛囊密度是最大的冠区域中的感觉运动区时，一些研究报告非应答者6,7，这是特别相关的。已确立国际二十○分之一十系统可用于光极的放置，但特别是在那些与非典型脑解剖，共同登记光极的位置，以参加者的解剖的MRI的情况是，如果不是必要的，以正确地解释非常有用结果。
使用fNIRS，以评估在儿童期发病的脑损伤的脑激活是相当新的，但在单边脑瘫6,8,9领域获得牵引力。在考虑到前述的挑战，该协议结合fNIRS，动作捕捉，和肌电（EMG）监测期间多项任务，包括简单的单关节任务，以及更复杂的全身运动。视觉和听觉指导我们ED改善跨越多个年龄段的参与者关注和工作表现。该协议的目的是找出那些具有单侧和双侧儿童期发病的脑损伤相比，谁通常在开发大脑活动模式的差异。我们探索一个完整的身体运动（步态），一个双侧下肢多关节移动（循环），和两个单侧单关节运动（隔绝踝关节背屈，并分离手挤压）来说明各种方法的应用程序。相同或非常类似的协议可以被用来研究其它感觉或运动障碍或其他感兴趣的任务。
近红外光的连续波被发射，并在690纳米和830纳米以上使用fNIRS系统以50赫兹的速率在感觉皮质检测，使用定制设计的源 - 检测器的配置。肌电图数据收集无线在1000赫兹的频率。反光标记3-D的位置是由光学运动捕捉系统100赫兹的速率收集的。两个不同的计算机处理的数据采集，一个用于fNIRS，另一个用于动作捕捉和肌电图。使用从对应于鼠标按钮按下启动教学动画为每个任务三分之一的计算机触发脉冲数据同步。对于除步态的所有任务，教学动画设计规范参与者的性能使用任务（1赫兹），通过卡通动物跳跃或踢，以及听觉提示所代表的步伐视觉引导。
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Protocol
注：此方案经美国国立卫生研究院的机构审查委员会（ClinicalTrials.gov标识符：NCT01829724）。所有参加者有机会提问，之前，他们的参与提供了知情同意书。在考虑变化所引起的最近使用血管扩张剂和血管收缩剂的血液动力学反应，参与者被要求从酒精和咖啡因以避免在实验3。这些动画影片被定义在我们的实验室做出之前24小时，但可以用其他声音或特定的替代研究问题的图像。
1.设置室此前的参与者的到来。
- 根据该动作捕捉制造商的具体过程校准动作捕捉摄像机相对于实验室的坐标。确保摄像头位置将允许记录所有标记的正文上而在将要测试的任务的参与者的头上。校准过程保证了动作捕捉系统的精确度，是任何运动实验室的标准做法。使用10摄像系统，具有17米3，其中的反射标记可以可靠地识别的近似体积。
- 从指令计算机的动作捕捉和fNIRS计算机的BNC输入连接触发。确保该触发器被连接到一个鼠标按钮，点击鼠标完成电路并同时发送一个脉冲给运动捕捉/肌电图数据采集板和向fNIRS数据采集板作为辅助的模拟输入。
- 通过USB端口运行的指令动画视频的电脑，连接这款鼠标，这样在启动视频会同时导致电压变化对两个数据采集系统。
注：EMG信号自动同步的，并保存动作捕捉软件，所以ADDIT是不是需要EMG系统的有理假唱。 - 设置屏幕和投影机的说明，显示给参与者。除去这可能是干扰项的任何不必要的物品。放置三脚架和数字视频摄像机，他们将有参加者的动作全视图。
- 确认反光标记牢固地连接到探头每个光极顶。
- 收集所有必要的文件：同意同意副本，临床检查表，和实验乐谱，例如。
2.基本措施
- 在完成知情同意过程之后，测量并记录参加者的身高，体重，年龄，和头部周长。
- 爱丁堡管理库存惯用手10等临床检查所示。记录参与者报告的头发和皮肤类型。
- 放置在髂后上棘反光标记（PSIS）双侧。有参加者步行在其舒适的速度跨越实验室3 - 5倍，并在整个试验中平均的速度来估计其自身选择步行步伐。
3.功能近红外光谱（fNIRS）设置
注意：这可以同时用肌电图和动作捕捉设置完成，如果有足够的实验者或研究人员，协助，如果参与者是舒适与几个人正在接近他们在同一时间。
- 测量鼻根（NZ）和INION（IZ）之间的距离，并在右侧（Ar）和左（Al）的耳朵前耳廓点之间。这两个措施的中点的交点是锆石，其标记在使用可洗的标记头皮。
- 如果参与者长发，部分断用辫子或马尾以暴露其中光极将被放置在头皮毛发的小部分。
- 将fNIRS探测到吨他参加的头，小心地对准CZ，氩。然后将头发从每个光极下，因为它是放置它在头皮上。最后，附上魔术贴绑带安全地保持光极到位。
注：在这个协议中，使用盖有一条带子的云头，一说去对面的额头，和一个去下颏后面。光极被固定在这个上限用魔术贴灵活的塑料环是环绕耳朵上。- 如果参与者有短发（小于约2英寸长），拉出光极之间的头发用小细棍或塑料端梳子。
- 验证所有光极电缆都平放，而光极是大致垂直于头皮的表面上。
- 如果必要，可将一薄片的泡沫组成的组光极电缆下，以促进光极的垂直对齐。
- 请与对探头的舒适参与者，并如果需要进行调整。指导他们告诉实验者，如果他们的舒适在实验过程中的任何一点下降。
- 打开源并检查信号。
- 在这个系统中，确保具有至少80分贝的强度和心跳信号的deltaOD（光学密度变化）清晰可见，在两个690和830纳米的波长的信号。当通道有信号，不符合这些标准，确认头发不堵光极（S），然后根据需要最大限度地提高信号强度调整探测器的收益。确保在这个时候，动作捕捉相机关闭。
注：其他fNIRS机可以在不同的波长为690和830 nm的操作;在这种情况下，检查最适合本机正在使用的波长。
- 在这个系统中，确保具有至少80分贝的强度和心跳信号的deltaOD（光学密度变化）清晰可见，在两个690和830纳米的波长的信号。当通道有信号，不符合这些标准，确认头发不堵光极（S），然后根据需要最大限度地提高信号强度调整探测器的收益。确保在这个时候，动作捕捉相机关闭。
- 添加反光标记，以NZ，IZ，氩气，和Al。请参与者仍然持有和收集大约2秒的动作捕捉数据，这些和fNIRS光极标记。确认所有的标志都被记录，并收集更多的审判是必要的。它可能要求参与者来改变头部位置，以改善的摄像机和所述标记之间的视线。在分析过程中使用这些收集到的三维位置的参与者的个人结构性MRI的概率注册（如果可用）。
- 添加封面用黑色毡或其他光吸收材料上的fNIRS光极顶部数层，以保护从运动捕捉摄像头的干扰或饱和探测器。确保电缆和fNIRS单元的前面板也同时使用相同的光吸收材料的屏蔽。
4.表面肌电图（EMG）设置
- 使用解剖标志，触诊时肌肉收缩找到每个目标肌肉的肌腹和电极安置指导11。
注：针对本协议的肌肉包括BIL抵押品腓肠肌内侧，胫骨前肌，股直肌，股外侧肌，股二头肌，桡侧伸腕和桡侧腕屈肌。 - 准备肌电电极放置在肌腹由剃须，用胶带去除死皮细胞，然后清洗用异丙醇垫，所推荐的SENIAM 12，等待皮肤干燥。
- 放置肌电电极定向成肌肉纤维的方向。
- 具有自贴包装包装紧贴。
- 检查计算机上的肌肉信号，同时进行徒手肌力测试，以确保正确的电极位置，并清晰的信号变化的可视化时，肌肉处于活动状态。
5.动作捕捉设置
- 放置反光标记，在联合的里程碑。这些措施包括内外踝，内侧和外侧膝关节，髂前上棘（ASIS），髂后上棘（PSIS），桡骨茎突，尺骨SYLOID，中介人肱骨epicondyl和横向肱骨epicondyl。
- 放置3个或更多个标志，或标记的一个刚体群集上的每个感兴趣的段，包括脚，胫，大腿，手，和前臂。
- 收集大约2秒的动作捕捉数据，而参与者站在仍处于标准化的位置，如站立手臂在90°肩关节前屈90°肘关节屈曲。确保所有的标记物都清晰可见的摄像机。
6.步态任务
- 有参与者转移到跑步机。通过支持fNIRS光极电缆协助他们，然后将电缆固定在天花板上的支持后，病人在位置。如果患者是在高风险的瀑布，用体重支承线束是否安全这个任务中。
- 开始在跑步机上，慢慢建立测得的自我选择的行走速度，以获得参加舒服的成立条件。然后缓慢停了下来再次。
- 建立与听觉反馈，这将提示参与者要么休息或移动的动画文件。与参与者审查任务的说明，告诉他们保持静止，轻松地在“休息”时间，并在“任务”期间走在跑步机的设定速度，同时注重他们的注意力，以黑色小圆圈在屏幕上数据采集的持续时间。
- 昏暗的灯光，并开始了动作捕捉计算机和fNIRS计算机上的数据采集。开始录制视频相机。
- 用鼠标触发，点击与此任务相关的动画文件的播放按钮。确保收到的动作捕捉和NIRS系统既触发了。
- 切换到一个黑点位于视线参与者的线的形象，让他们对审判的持续时间焦点。
注：概述概略每个试验示于图2。
- 切换到一个黑点位于视线参与者的线的形象，让他们对审判的持续时间焦点。
- 监视参与者的表现，并根据需要提供有关的速度，或者外来的随意运动的反馈。
- 在教学动画结束，停止记录在运动捕捉，肌电图，和fNIRS系统，以及视频摄像机。让参与者有机会休息或移仓是必要的。
7.双侧下肢循环任务
- 有参与者过渡到可移动背部和腿部支撑一个底座，照顾，支持fNIRS光极电缆并没有碰撞或打跑了动作捕捉标记或肌电电极。具有泡沫座垫在实验过程中，以提高舒适性。
- 提起周期框架到位并将其固定用皮带勒脚。
- 固定脚进入踏板和根据需要调整周期的位置，以促进在踏板上了舒适和自然的距离。在的最远点，在循环中，保持其膝盖在约10度屈曲。
注意：在这一点上，参与者将处于半卧位姿势，它提供了一些支撑躯干，并在其余期间促进放松。 - 与参与者审查任务的说明，告诉他们在“任务”期间大约每分钟60转，以保持静止，轻松地在“休息”时间和周期。
- 重复步骤6.4至6.7。而不是切换到一个点，项目中的卡通动画，将CUE参与者要么休息或移动通过视觉和听觉反馈的图像。最大化电影窗口以使参与者不能够监视已经通过，或者是剩余，在当前的试验的时间。
8.用手挤压任务
- 从周期和周期本身取出脚后，将一张床表中的参与者，马金前克确保参与者的臂在一个舒适的位置上支撑在桌子上。
- 指导参与者在“任务”期间挤柔软物体大约一次每秒（1赫兹），并保持尽量宽松期间“休息”时间。
- 重复步骤7.5。
9.踝背屈任务
- 床上表中删除，并提高了底座的脚蹬部上升带来的脚到参与者的观点。
- 删除参与者的鞋和袜子，并替换脚标记在适当的位置。支持小牛刚刚高于其踝关节用泡沫垫，以允许踝关节的运动。
- 指导参与者在“任务”期间每秒（1赫兹），以他们的背屈脚踝约一次，并保持尽量宽松期间“休息”时间。
- 重复步骤7.5。
10.结论临母育
- 取下盖和检查皮肤的压力或发红的区域。
- 删除所有反光标志和EMG单位。
- 感谢参与了他们的时间，并邀请他们的意见对主观协议的经验。这可以是一个正式的调查问卷（所使用的加维和他的同事对经颅磁刺激13），或非正式的讨论，以确定不适，可以在未来得到改善常见的来源。
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Representative Results
这个协议协调并发采集3方式捕捉脑血流，肌肉电活动和关节的运动学运动的同时参与者执行电动机的任务（ 图1）。
图1.探针位置。该图的左侧部分示出的感觉区的近似位置（蓝色，布洛德曼区域1,2,3），主马达区域（显示为绿色，布洛德曼区域4），和运动前区（橙色，布罗德曼面积6）。使用AtlasViewerGUI（可从MGH光学部15的开放源码下载）及其相关功能生成此图的右侧部分。简言之，该探针设计，其中利用源，检测器，和anato空间排列登记到Colin47阿特拉斯的表面MICAL地标（来源用红色圆圈和蓝色圆圈代表探测器）。蒙特卡罗光子迁移正向模型运行发动1×10 8的光子的光的透过皮肤，颅骨和脑的材料，具有对所有源-检测器对的灵敏度轮廓投影到皮质的表面和所有在该图中同时显示。对大脑的表面上的彩色地图表示所述探针的皮质灵敏度;换句话说模拟光子到达脑回和沟位于下源和检测器的数量（暖色表示比冷色更多的光子，以对数标度10的范围内的2个数量级）。
示源-检测器布置在该协议中使用的示例，并且它是如何与一个脑图谱底层神经解剖结构; 图2概括了在这个协议中使用的块设计，以及屏幕截图的指令视频。任务在一个块的设计进行，与穿插的20个随机长的休息时间8 15秒的任务模块 - 30秒。卡通动物特别选择为非人象，以便不接合镜像神经元系统11，和音频提示已被证实可以改善在其他组设计实验10任务的性能。步态任务只有一个听觉线索，和参与者被要求集中在一个黑色的小圆圈投射在他们面前的屏幕。
图2.原理每个试验的数据收集为每个任务类型持续约6分钟。有可变休息（20秒持续时间至30不等）时期，随着活动的15秒块（步态，骑自行车，背伸，或挤压）。创建教学视频用视觉和听觉线索参与者休息或移动。企鹅图像取自显示给病人的指令的某个视频。他在休息时间保持在地面上，并在该任务期间跳跃每秒的空气1的时间。还有在任务块为每个条件，在休息放松的曲调演奏和调整具有强烈的60 BPM节奏的音乐。
图3是在任务执行记录的光信号的一个例子。数据被自动保存到文件中带有* .nirs延伸，并从数据采集计算机，以便进一步处理后传送。 图4示出了重建骨骼模型的一个例子，以及关节角度和EMG措施用于踝关节背屈任务。骨骼模型和关节角度的创建和使用Nexus和的Visual3D软件包来计算。这些数据，以及肌电尚未处理，并且共同ULD包含运动伪影或其他噪音，可能受益于过滤技术。
有可用来解释所收集的数据分析技术和软件产品的一个宽阵列。一个例子是使用完被称为荷马14的开源软件包fNIRS图像重建。创建的地图的一个例子显示在图5展示的激活信息，可以从所收集的光密度信号被解释的类型。
光密度录音图3.范例。这截屏是 从一种类型的fNIRS机的数据采集软件。它包括探测有关fNIRS信息装置（右上），能够把单个激光源开和关（左下）和OPTIONS修改每个dectector（下中）的增益。在数据可视化窗口（左上），垂直粉红线代表活动的块的起始。迹线的颜色对应于在右侧的探针装置中所示的信道的颜色。注意，所有的信号都高于80分贝，所述心脏节律是清晰可见，即使是在光强度信号。
图4.骨骼重建，关节角度及肌电图左背伸任务。在代表期间的任务周期开始于约4.5秒，并且一直持续到19.5秒。在这个典型的发展中国家的个人（13岁），有接缝处比目标的左脚踝等非常有限的运动。此外，肌肉比一个提供运动外（胫前肌）一重任务以及休息时间在一般的静态。 TA =胫前肌; MG =腓肠肌内侧; RF =股直肌; VL =股外侧肌; MH =内侧腿筋。
数字fNIRS激活地图过程中右手挤任务5例。对大脑顶部的蓝色方块概述了该探头设计（参见图1）采样的大致区域。这参与者才13岁，并有56厘米的头围）。图中右侧部分显示了为期5中的平均氧合血红蛋白（HBO）的响应 - 10秒以下的运动发生的一个典型的发展中国家青少年挤压用右手一球。从本垒打14生成在该图中这个数据，然后利用一般线性模型评估。蓝色s为没有激活，同时增加了HBO的红色区域指示区在任务期间。这是分析和可视化的方法之一，研究人员使用，以确定在氧化和/或脱氧血流量变化更大的区域。
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Discussion
同时采集大脑活动的从皮层的目标区域，以及有关如何一个人正在呈现巨大的潜力，以便改进我们的运动神经控制的理解，无论是在一个典型的显影的人口，以及那些具有运动障碍的量化数据。也有在年龄和运动的任务，可以完成，作为参与者不限于仰卧位置，因为它们将是一个功能性磁共振成像方面具有广阔的应用。的具体设备的物品不限于那些在材料清单提示 - 有几个运动捕获和运动的量化系统，肌电图系统，并且fNIRS系统在市场上买到，它们可代替的那些这里建议使用。此外，如果所选择的运动捕捉系统不具有足够的体积的测量来本地化的身体和头部或非光学技术标记物的情况下，3维位置跟踪触笔可以用来代替定位相对于解剖标志的光极的公共坐标系中。最后，如果有可能附加地收集生理数据如心脏速率和血压，这些信息将是有用的告知HBO和HBr时间序列分析。
整个协议可以在大约2小时内完成，用专门设置的时间几乎一半。对于男性参与者短发，安装时间可能会少，因为更少的时间是需要准备的头发。它为研究人员招募没有来自所有种族和发质的偏见，如果有哪里有用信号，无法获得3个人举报是很重要的。取决于人的年龄和注意力持续时间被测试，其他任务或数据收集的额外的块可以很容易地加入。重要的是要注意，然而，fNIRS技术在其当前状态一定的局限性。尽管Çareful制备和护理，减少毛发的干扰，可能会出现一些与会者在那里他们的头发和皮肤中的黑色素含量排除集合的信号与适当的强度。即使在那些具有足够的强度，将有变化的观察到的血液动力学响应的清晰度。这些问题需要在数据分析期间要处理的，与如何非应答者被确定，并公开参加者的数目的测试，它的数据不能被使用2-5明确的报告。
这种特定的协议可以适于在多种方式应用到具体的研究问题。的源和检测器的取向具有无限的可能性中的位置和安排，这提供了灵活性采样皮层的其它区域上，为了便于更大的分辨率，或一个较稀疏排列来创建一个更密集的探针与追加信道的重叠覆盖更大的区域皮质表面。相比于功能磁共振成像fNIRS的整体空间分辨率仍然较低，但这种限制可以通过使用fNIRS在一个不太密闭环境对许多研究应用，研究运动的任务，特别是当能力被抵消。此外，任何数量的运动，感觉或图像的任务，可以切实并入呈现块设计，包括更复杂的序列或其他简单的单关节运动。在考虑到下肢的任务，但是，思想必须考虑到在电动机侏儒远端下肢表示的位置，因为它可能无法得到具有表面为基础的方法是深如fNIRS。此外，也有研究，也使用一个事件相关范例16,17，这很容易通过改变动画和指示参与者被集成。这些范例需要运动块的数量较多，但它们可以与在秒之间较少其余完成澳总的数据采集时间可能不会从提出块范式显著不同。
运动学和EMG数据可以以多种方式被使用。从性质上讲，它提供的指示，参与者在完成任务的有用确认。特别是在运动并不如预期，由于注意力下降或运动障碍的存在的情况下，这些信号可以是非常有价值的，因为删除数据的块的量化的方法，或如在一般线性模型回归因子（GLM）分析数据，如图赫维等人 18。确定fNIRS光极和解剖标志坐标是必要的共同注册一个参与者的个人结构性MRI。光极位置配准代表在提高可靠性和神经解剖的fNIRS结果的相关性，尤其是在人口与脑损伤的重要一步。最后，人们可以考虑添加电缆运动跟踪作为一个额外的步骤来解释所记录的数据中的运动伪影。
儿童期发病性脑损伤，如脑性麻痹已知会引起若干的周边症状如痉挛，肌肉无力，并降低了选择性马达控制器19。如经颅磁刺激20,21和扩散张量成像22,23被动的电或脑成像技术显示，在皮质的组织变化。磁共振成像已用于检测在孤立的小变动24-26中活化的差异，但监控任务性能可以在MRI环境中的挑战，并且甚至小头的运动可能导致大的工件。在这一人群中，特别是补充或同时使用脑成像方式，如fNIRS或脑电图（EEG）的提供了一个机会，以获得有关潜在源的更深入的了解运动的问题，并监测进展与电机干预一个额外的工具。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CW6 | TechEn | http://nirsoptix.com/ | fNIRS machine with variable number of sources and detectors, depending on the number of modules included |
| MX system with ten T40-series cameras | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | http://www.vicon.com/System/TSeries | Motion capture cameras |
| reflective 4 mm markers | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | Markers used by the motion capture cameras to locate fNIRS optodes, Ar, Al, Nz, and hand coordinates. | |
| reflective 9.5 mm markers | Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, UK | Markers used by the motion capture cameras to locate arm and leg coordinates. Clusters are used for the limb segments, and markers with offsets are uses for PSIS and Iz to improve reliability in data capture. | |
| Trigno Wireless EMG system | Delsys, Inc. Natick, MA | http://www.delsys.com/products/wireless-emg/ | Electromyography |
| Bertec split-belt instrumented treadmill | Bertec Corporation, Columbus, OH | http://bertec.com/products/instrumented-treadmills.html | Treadmill |
| ZeroG body-weight support system | Aretech, LLC, Ashburn, VA | http://www.aretechllc.com/overview.html | Track and passive trolley used to support cables, harness can be used for patient safety during gait trials |
| 3DS Max 2013 | Autodesk, Inc., San Francisco, CA | http://www.autodesk.com/ | 3-D animation software used to animate animals for instructional videos |
| Windows Movie Maker | Microsoft Corporation, Redmond, WA | http://windows.microsoft.com/en-us/windows-live/movie-maker | software used to combine animation footage with music |
| Audacity | open source | http://audacity.sourceforge.net/ | Software used to alter musical beat to appropriate cadence |
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